CN102653097A - 一种基于电磁力学原理的仿生肌单元及装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施公开了基于电磁力学原理的仿生肌单元及装置，包括：具有电磁屏蔽功能的圆形管壳，在圆形管壳中心设置一根两侧有印刷导线的滑杆，以及位于圆形管壳内并以滑杆为中心的固定侧线圈和滑动侧线圈，固定侧线圈与滑动侧线圈的绕行方向一致，所述滑杆上的印刷导线为固定侧线圈和滑动侧线圈供给电流，在位于滑杆的末端具有与下一级肌单元相连的输入及输出电流的金属触点，固定侧线圈与滑动侧线圈在接通相同方向电流时根据安培定则在圆形管壳内相邻的两面极性相反，产生吸引力，拉动滑动侧线圈向前移动，完成本仿生肌单元的伸缩。本发明实施例中的各单元间及肌束间电路简单，为电脑控制肌束的收缩提供了极大的方便，可大大提高机械臂的活灵性和精确性。

Description

一种基于电磁力学原理的仿生肌单元及装置

技术领域

本发明涉及微机电技术领域，尤其涉及基于电磁力学原理的仿生肌单元及装置。

背景技术

有关机器人机械臂收缩及方向控制的方法多种多样，有的单纯依靠微型电动机、也有的通过液压装置或气囊装置来完成对机械臂的驱动和方向控制，这种方式只能适用于动作简单的工业型机器人，却不适合对方向、距离要求高、动作精细及位置改变频繁的类人机器人。医学研究表明：人和动物躯体的运动是由肌肉驱动的，其控制中心位于大脑，动力来源于与运动相关的关节附近的肌组织。现有机器人要完成关节在多个方向的转换，过程非常复杂，必须各个方向分别完成，而不能象人类一样同时完成多个方向的转换，这是由于动力源位置及动力源与关节的连接所决定的。要想使机械臂具有人类关节的灵活性，必须使类人机器人的关节形状、联结及动力源类似于人类，这就要求新的动力源数量必须足够多、体积必须足够小，这样才能同时满足类人机器人对方向和运动的要求。

发明内容

本发明的目的是为类人机器人提供一种仿生肌肉组织，这种仿生肌肉组织是由多条仿生肌束构成的，每条仿生肌束又由多个仿生电磁收缩肌单元构成。

为了解决上述问题，本发明提出了一种基于电磁力学原理的仿生肌单元，包括：

具有电磁屏蔽功能的圆形管壳，在圆形管壳中心设置一根两侧有印刷导线的滑杆，以及位于圆形管壳内并以滑杆为中心的两个线圈：固定侧线圈和滑动侧线圈， 固定侧线圈与滑动侧线圈的绕行方向一致，所述滑杆上的导线为固定侧线圈和滑动侧线圈供给电流，在位于滑杆的末端具有与下一级肌单元相连的输入及输出电流的金属触点，固定侧线圈与滑动侧线圈在接通相同方向电流时根据安培定则在圆形管壳内相邻的两面极性相反，产生吸引力，拉动滑动侧线圈向前移动，完成本仿生肌单元的伸缩。

所述滑动侧线圈通过簧片与滑杆上的印刷线相接处，通过簧片实现滑动侧线圈的电流供给。

所述仿生肌单元固定侧末端设有连接管，管内内壁设置有制锁槽，所述滑杆末端的连接管外壁设置有制锁头。 两侧连接管与制锁槽、制锁头相连的部分为金属导体，其余部分为非导体，滑杆除印刷线和触点外均为非导体。

相应的，本发明实施例还提供了一种基于电磁力学原理的仿生肌装置，包括至少两个以上的仿生肌单元，第一仿生肌单元通过滑杆末端连接管外壁的制锁头连接着第二仿生肌单元前端连接管内壁的制锁槽，通过第一仿生肌单元和第二仿生肌单元间的连接关系形成仿生肌束。

所述每一仿生肌单元固定侧线圈和滑动侧线圈间的距离在伸展时与连接着第一仿生肌单元和第二仿生肌单元的连接管非重叠部分的长度相等。为使仿生肌束在收缩时相邻两肌束的收缩部分始终位于对方管壳的侧壁，相邻两肌单元之间的距离与圆形管壳的长度之比小于1:3。

所述仿生肌装置通过若干个仿生肌单元形成一仿生肌束。

所述仿生肌装置包括至少一个仿生肌束。数条仿生肌束组成一肌组，控制关节运动的一个方向；数个肌组构成一肌群，控制关节运动的多个方向。

通过实施本发明实施例的技术，由于本发明各组成部分都十分简单，随着制造工艺水平的提高，仿生电磁收缩肌单元的体积可极大缩小，即动力源体积可大大缩小，在有限的空间内可为类人机器人或动物提供多个方向上的动力，从而使机器人能够完成最复杂的方向转换工作；又由于本发明的收缩功能完全由电流控制，各单元间及肌束间电路简单，为电脑控制肌束的收缩提供了极大的方便，可大大提高机械臂的活灵性和精确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明实施例中的基于电磁力学原理的仿生肌单元处于伸展状态的剖视结构示意图；

图2是本发明实施例中的固定侧连接管的横截面图；

图3是本发明实施例中的基于电磁力学原理的仿生肌单元处于收缩状态的剖视结构示意图；

图4是本发明实施例中的基于电磁力学原理的仿生肌束的剖视结构示意图；

图5是本发明实施例中的基于电磁力学原理的仿生肌装置的剖视结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图3中所示所示，本发明实施例提供了一种仿生电磁收缩肌单元，其包括圆形管壳（1）、固定侧线圈（2）、滑动侧线圈（4）、带印刷导线的滑杆（9）及其末端的连接管外壁的制锁头（7）、带制锁槽（8）的连接管（5），要求两个线圈的绕行方向相同，电流方向相同。簧片（3）和金属触点（6）为滑动线圈的正负极，也是下一级肌单元的正负极。具体的构造中，在圆形管壳（1）中心设置有两侧印刷有导线的滑杆（9），以及位于圆形管壳（1）内并以滑杆为中心形成线圈的固定侧线圈（2）和滑动侧线圈（4）， 固定侧线圈（2）与滑动侧线圈（4）的绕行方向一致，滑杆（9）上的导线为固定侧线圈（2）和滑动侧线圈（4）供给电流，在位于滑杆（9）的末端具有输入电流的金属触点（6），固定侧线圈（2）与滑动侧线圈（4）在接通相同方向电流时根据安培定则在圆形管壳内相邻的两面极性相反，产生吸引力，拉动滑动侧线圈向前移动，完成本仿肌单元的伸缩。连接线圈与印刷导线的部分（10）完成了线圈与滑竿间的通电，（11）所示固定侧连接管金属部分内壁的凹槽，内侧与锁槽相连，具体可参阅图2中所示。

如图4所示，两个仿生电磁收缩肌单元相互连接，即将上一个肌单元带制锁头（7）的连接管（5）伸入到下一个肌单元带制锁槽（8）的连接管（5）内，旋转15度后两肌单元相互锁定，如此首尾相接至所需长度，即为一条仿生肌束。数条仿生肌束交错排列，使管壳连接部分互不相邻，构成一组功能方向相同的肌群，如图5。

如图1所示，将此肌单元带制锁槽端的连接管的上方金属与电源的正极相连，其下方金属与电源的负极相连，按要求两线圈绕行方向相同，接通电源后管壳内线圈的相邻两面磁极相反，故可产生引力，吸引滑动侧线圈沿滑杆向前滑动，带动连接管向管壳内滑动，即下一肌单元向前滑动，完成肌收缩运动。

如图5所示，由于肌束交错排列，管壳之间互为滑动面，且管壳长度与管壳间距之比大于3，保证了每一连接管收缩处只与管壳相邻，进而保证了收缩滑动的顺利进行。

如图1，3，4，5所示，单个仿生肌单元的两个线圈可通过滑杆上的印刷导线、簧片、触点及连接管的金属部分各自形成电流回路，同理一条仿生肌束的各个线圈也可以形成各自的电流回路，且各回路的电压相同。

如图1，3，4，5所示，由本发明所构成的肌单元、肌束或肌群同人类肌功能一样，在接通电流或接受神经刺激后都只具有收缩功能，而不具有舒张功能，肌单元、肌束或肌群的伸长是由于重力或对侧拮抗肌收缩的结果。

如图1，3，4，5所示，由本发明所构成的肌单元收缩距离与单元内滑动线圈的移动距离相等，肌束的收缩距离为肌束内各肌单元收缩距离的总和。

如图1所示，由本发明所构成的肌单元在与仿生机械臂相连时，固定侧与滑动侧连接管一样需设计成带锁头的形式，而机械臂与肌单元连接处设计成台阶状，台阶高度与肌单元管壳直径相同，台阶内含连接管，此连接管与固定侧连接管一样设计成带锁槽的管状，安装方法也与肌单元相互连接时一样，插入后顺时针旋转15度，即可完成整条肌束的连接。通过机械臂内的导线使肌束与电源及电脑相连，以控制肌束的收缩。

由本发明所构成的肌束具有以下特点：                                                电路简单、清晰、明了。

在一个肌单元内线圈的吸引力与电流的大小成正比，而肌束的收缩力在理想状态下应与每个肌单元内的线圈的引力相同。在实际应用中可根据经验公式计算出电流大小与肌束收缩力间的关系，以调节电流大小来控制肌束的收缩力。由于具有以上两特点，本发明为电脑控制肌束的收缩及检测提供了极大的方便。

综上所述，本发明原理明确、电路简单，并且随着制造工艺水平的不断提高，仿生电磁收缩肌单元的体积可不断缩小，为在有限的空间内尽可能地增加仿生肌群的数量，进而增加仿生机械臂的收缩力及机械臂在随意方向上的运动提供了极大的可能；同时，随着人工智能的不断发展，应用本发明制造的类人机器人必将会变得更加灵活。

以上对本发明实施例所提供的基于电磁力学原理的仿生肌单元及装置进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种基于电磁力学原理的仿生肌单元，其特征在于，包括：

具有电磁屏蔽功能的圆形管壳，在圆形管壳中心设置一根两侧有印刷导线的滑杆，以及位于圆形管壳内并以滑杆为中心的固定侧线圈和滑动侧线圈， 固定侧线圈与滑动侧线圈的绕行方向一致，所述滑杆上的导线为固定侧线圈和滑动侧线圈供给电流，在位于滑杆的末端具有与下一级肌单元相连的输入及输出电流的金属触点，固定侧线圈与滑动侧线圈在接通相同方向电流时根据安培定则在圆形管壳内相邻的两面极性相反，产生吸引力，拉动滑动侧线圈向前移动，完成本仿生肌单元的伸缩。

2.如权利要求1所述的基于电磁力学原理的仿生肌单元，其特征在于，所述滑动侧线圈通过簧片与滑杆上的印刷线相互接触，通过簧片实现滑动侧线圈的电流供给。

3.如权利要求2所述的基于电磁学原理的仿生肌单元，其特征在于，所述仿生肌单元固定侧末端设有连接管，管内设有制锁槽；所述滑杆末端的连接管外壁设置有制锁头。

4.一种基于电磁力学原理的仿生肌装置，其特征在于，包括至少两个以上的如权利要求1至3所述的仿生肌单元，第一仿生肌单元通过末端的连接管上的制锁头连接着第二仿生肌单元的前端的制锁槽，通过第一仿生肌单元和第二仿生肌单元间的连接关系形成仿生肌束。

5.如权利要求4所述的基于电磁力学原理的仿生肌装置，其特征在于，所述每一仿生肌单元固定侧线圈和滑动侧线圈间的距离在伸展时与连接着第一仿生肌单元和第二仿生肌单元的连接管非重叠部分的长度相等，为使仿生肌束在收缩时相邻两肌束的收缩部分始终位于对方管壳的侧壁，相邻两肌单元之间的距离与圆形管壳的长度之比小于1:3。

6.如权利要求4、5所述的基于电磁力学原理的仿生肌装置，其特征在于，所述仿生肌装置通过若干个仿生肌单元形成一仿生肌束。

7.如权利要求6所述的基于电磁力学原理的仿生肌装置，其特征在于，所述仿生肌装置包括至少一个仿生肌束。

8.如权利要求7所述的基于电磁力学原理的仿生肌装置，其特征在于，数条仿生肌束组成一肌组，控制关节运动的一个方向；数个肌组构成一肌群，控制关节运动的多个方向。

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